Abwärtswandler-MOSFET (IRF4905) erwärmt sich

Der Transistor erreicht in etwa 2 Minuten 100°C.

Der nicht auf einem Kühlkörper montierte Transistor hat einen thermischen Widerstand von 62 °C pro Watt. Das ist, wie viel es sich erwärmt, wenn es ein Watt Leistung abgibt.

Sein Zweck ist es, 12 V in 5 V bei 2 Ampere umzuwandeln

5 Volt bei 2 Ampere sind 10 Watt und Verluste im MOSFET von etwa 1 Watt (oder etwas mehr) sind ein wahrscheinliches Szenario. Moderne Abwärtsregler werden ziemlich oft mit einem Wirkungsgrad von etwa 95 % angegeben, und ein selbstgesponnener wird mit etwa 90 % etwas schlechter sein. Ich glaube also nicht, dass Ihr MOSFET etwas Außergewöhnliches tut.

Es könnte sich natürlich weiter erwärmen, also sollten Sie erwägen, es auf einem kleinen Kühlkörper zu montieren. Beachten Sie, dass es eine maximale Betriebstemperatur von 175 °C hat.

Tut mir leid, dass ich nicht früher aktualisiert habe. Aber ich habe endlich die Schaltung zum Laufen gebracht.

Ich folgte dem Rat von Russell McMahon und verband einen 1-Megaohm-Widerstand parallel mit einem 220-pF-Kondensator von der Basis von Q5 zum Kollektor von Q4. Dies sollte dem Regler positives Feedback geben.

Der MOSFET erwärmt sich jetzt kaum noch und ich habe den Wirkungsgrad der Schaltung bei einer Eingangsspannung von 12 V und einer Ausgangsspannung von 5 V bei 2 A mit etwa 81 % gemessen. Ich werde versuchen, es weiter zu optimieren, aber ich denke, dass die meisten Verluste von der Freilaufdiode stammen. Ein synchroner Abwärtswandler wäre zu kompliziert, um ihn mit diskreten Komponenten herzustellen, also lasse ich die Diode.

Es funktioniert besser als ich ursprünglich erwartet hatte. Und es sollte möglich sein, es weiter zu verbessern.

In Ermangelung eines Bereichs würde ich das simulieren und sehen, was passiert.

Wahrscheinlich haben Sie Recht und der FET wird nicht schnell genug geschaltet. Wahrscheinlich ist das Mindeste, was Sie tun müssen, der Verstärkungsphase in Q5 ein positives Feedback hinzuzufügen. Wenn ich entschlossen wäre, die Schaltung nur auf Transistoren zu beschränken, würde ich dort eine kapazitiv gekoppelte PNP-Stufe hinzufügen, die mit positiver Rückkopplung eingerichtet ist, sodass Q5 positiv schaltet.

Hier ist eine LTspice-Simulation des Schaltplans. Aufgrund von Bibliothekseinschränkungen wurden etwas andere Komponenten verwendet, aber selbst mit diesen Änderungen funktioniert die Simulation:

Die Spuren werden logarithmisch aufgetragen, um zu versuchen, sowohl kleine als auch große Details darzustellen.

Die Simulation sieht also vielversprechend aus. Aber der einzige Weg, um sicher zu wissen, was die Schaltung tut, besteht darin, die Gate-Leitung von Q1 zu erfassen. Die Simulation deutet auf eine nicht ideale Rundung und Verzögerung auf der Gate-Leitung hin, aber es ist nicht allzu schlimm, wenn man die spartanische Anzahl von Komponenten bedenkt. Eine andere Möglichkeit ist hochfrequentes Klingeln am Switched Node; Wenn Sie Ferritperlen haben, versuchen Sie, eine zu Q1 hinzuzufügen. Kurz gesagt, Sie müssen sich ein Oszilloskop besorgen.

Hier ist die .asc-Datei:

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE -160 -144 -288 -144
WIRE 64 -144 -160 -144
WIRE 240 -144 64 -144
WIRE 352 -144 240 -144
WIRE -160 -128 -160 -144
WIRE 352 -128 352 -144
WIRE 64 -80 64 -144
WIRE -160 -32 -160 -48
WIRE 0 -32 -160 -32
WIRE 352 -32 352 -48
WIRE -288 0 -288 -144
WIRE 240 32 240 -144
WIRE 64 48 64 16
WIRE 192 48 64 48
WIRE 64 80 64 48
WIRE -160 128 -160 -32
WIRE -112 128 -160 128
WIRE 0 128 -32 128
WIRE 240 144 240 128
WIRE 320 144 240 144
WIRE 384 144 320 144
WIRE 544 144 464 144
WIRE 624 144 544 144
WIRE 688 144 624 144
WIRE 688 160 688 144
WIRE -160 176 -160 128
WIRE 240 176 240 144
WIRE 544 176 544 144
WIRE -288 224 -288 80
WIRE -224 224 -288 224
WIRE 64 256 64 176
WIRE 240 256 240 240
WIRE 240 256 64 256
WIRE 544 256 544 240
WIRE 544 256 240 256
WIRE 688 256 688 240
WIRE 688 256 544 256
WIRE 240 272 240 256
WIRE -160 288 -160 272
WIRE -288 336 -288 224
WIRE -16 336 -64 336
WIRE 112 336 64 336
WIRE -176 384 -224 384
WIRE -64 384 -64 336
WIRE -64 384 -176 384
WIRE 112 384 112 336
WIRE 144 384 112 384
WIRE -176 400 -176 384
WIRE -64 432 -64 384
WIRE 0 432 -64 432
WIRE 112 432 112 384
WIRE 112 432 64 432
WIRE -288 496 -288 432
WIRE -176 496 -176 480
WIRE -176 496 -288 496
WIRE -288 512 -288 496
FLAG 624 144 FB
FLAG 144 384 FB
FLAG 240 272 0
FLAG -288 512 0
FLAG 352 -32 0
FLAG -160 288 0
FLAG 320 144 SW
SYMBOL pmos 192 128 M180
WINDOW 0 55 78 Left 2
WINDOW 3 56 33 Left 2
SYMATTR InstName Q1
SYMATTR Value IRF4905S
SYMBOL schottky 224 240 M180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value SS35
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
SYMBOL ind 368 160 R270
WINDOW 0 32 56 VTop 2
WINDOW 3 5 56 VBottom 2
SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 100µ
SYMATTR SpiceLine Ipk=5 Rser=0.028 Rpar=0 Cpar=0 mfg="Coiltronics" pn="CTX100-5-52"
SYMBOL polcap 528 176 R0
WINDOW 3 24 56 Left 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 100µ
SYMATTR Description Capacitor
SYMATTR Type cap
SYMATTR SpiceLine V=10 Irms=3.87298 Rser=0.015 Lser=0 mfg="KEMET" pn="A700X107M010ATE015" type="Al electrolytic"
SYMBOL res 672 144 R0
SYMATTR InstName R6
SYMATTR Value 2.5
SYMBOL res 80 320 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 33k
SYMBOL cap 64 416 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 6.8n
SYMBOL res -192 384 R0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 5.4k
SYMBOL npn -224 336 M0
SYMATTR InstName Q5
SYMATTR Value 2SC1589
SYMBOL npn -224 176 R0
SYMATTR InstName Q4
SYMATTR Value BC368S
SYMBOL pnp 0 176 M180
WINDOW 0 58 68 Left 2
WINDOW 3 56 31 Left 2
SYMATTR InstName Q3
SYMATTR Value 2SB647
SYMBOL npn 0 -80 R0
SYMATTR InstName Q2
SYMATTR Value 2SD1484K
SYMBOL res -176 -144 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res -16 112 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 150
SYMBOL res -304 -16 R0
SYMATTR InstName R5
SYMATTR Value 20k
SYMBOL voltage 352 -144 R0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 24 124 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 12v
SYMATTR SpiceLine Rser=0.1
TEXT 306 304 Left 2 !.tran 20m startup uic
TEXT 216 352 Left 2 ;Simulation shows 0.37W losses in Q1.\nWaveform is not ideal squarewave\nbut close enough. Try adding ferrite\nbeads to Q1 S and D pins.

Ich stimme Hearth auch zu, dass Ihr FET (R DS (on) = 0,02 Ω) im teilweise linearen Modus arbeitete, außer dass Sie eine Frequenz von 42 kHz bei 5 V 2 A messen konnten.

Ich schlage vor, dass dieses Design minderwertig ist, da der Oszillator nicht stabil ist und von Parasiten abhängt, wobei der Phasenabstand durch die 5 Transistorstufen und die Serienresonanzfrequenz von einigen hundert Hz mit ausgewählten LC-Werten reduziert wird.

Der FET ist für eine 2-A-Last, die für > 50 A mit 260-A-Spitzen ausgelegt ist, übertrieben, aber das erhöht den Coss und den sehr niedrigen RdsOn, um eine Störresonanz zu verursachen, bei der der Phasenabstand negativ sein muss, um die Oszillation aufrechtzuerhalten.

Es mag Möglichkeiten geben, die Gate-Ansteuerung auf einen scharfen Impuls zu erhöhen, aber es lohnt sich nicht, den FET-Schalter und das instabile Design zu übertreiben.

Der PFET garantiert auch eine hohe Einschaltstromspitze beim Ansteuern des ESR des Lastkondensators, wenn die Induktivität dann gesättigt ist.

Insgesamt würde ich sagen, dass es nicht überraschend ist, dass es regulieren oder oszillieren kann, aber die Lastregelung ist ohne Spannungsreferenz schrecklich, und ein Überschwingen der Schrittlast für einen weiten Lastbereich wäre schrecklich.

Abschluss.
Die wichtigsten fehlenden Zutaten für ein gutes SMPS-Reglerdesign sind "Gute Spezifikationen und gute Toleranzmargen".

Schlechte Topologie.

Ich habe eine Simulation durchgeführt , und es sieht nicht so aus, als würde Ihr FET überhaupt schalten. Ich denke, Sie haben möglicherweise einen Linearregler anstelle eines Schaltreglers gebaut. Es gibt ein gewisses Oszillationsverhalten, wenn das Potentiometer geändert wird, aber es zerfällt ziemlich schnell in einen stabilen linearen Modus.

Unter der Annahme, dass Sie versehentlich einen Linearregler verbaut haben, ist mit einer Erwärmung des Schaltelements zu rechnen. Mit der 2,5-Ω-Last beträgt die Verlustleistung im Transistor über 13 Watt, was mehr als genug ist, um ihn selbst mit einem anständig großen Kühlkörper erheblich zu erwärmen.